Ingegnerizzazione di prodotto

Design for X

Dopo aver fatto l'analisi funzionale e aver definito i principi di funzionamento per ogni funzione, nel processo di sviluppo prodotto si passa alla fase di embodiment design (progettazione preliminare), ovvero quella fase in cui dal concept (progettazione concettuale) bisogna dar forma alle idee, ossia bisogna strutturare il progetto. Nello sviluppare un prodotto bisogna considerare diversi aspetti (costo, qualità, impatto ambientale, disassemblaggio, ecc.); per questo motivo è stato creato il Design for X, ovvero "progettare per X", dove al posto della X inseriamo lo specifico target ("aspetto"). Dunque, i progettisti dovrebbero seguire una serie di linee guida per il design conosciute come Design for X. Esse supportano le regole di base e aiutano i progettisti a soddisfare i requisiti e i vincoli specifici.

Design for Manufacturing

Un progettista deve sviluppare un prodotto che sia in grado di soddisfare la sua funzione e che abbia materiale, forma, dimensioni e processo produttivo adeguati. Tramite il DFM si va a vedere se quel prodotto è facilmente processabile con una o più tecnologie; più è facilmente processabile con una o più tecnologie più sarà basso il suo costo.

L'obiettivo del DFM è quello di migliorare la producibilità e di ridurre il costo di lavorazione; in particolare, la DFM punta a ridurre il Manufacturing Cost, a scegliere il miglior processo produttivo e a garantire un prodotto di alta qualità. La DFM si basa su criticità manifatturiere e vuole spingere il progettista a pensare a soluzioni progettuali che siano facilmente realizzabili. Dunque, il metodo DFM è un processo basato sulla conoscenza dell'azienda e sulla giusta gestione del mercato e della catena di fornitura per trovare il miglior processo di produzione considerando le caratteristiche richieste per uno specifico componente.

Cosa fa il DFM

• Definisce delle istruzioni di buona progettazione tenendo conto delle tecnologie produttive
• Seleziona i materiali migliori per quella tecnologia
• Garantisce la selezione del miglior processo produttivo che fornirà il costo previsto e la finitura, la geometria, la quantità e la precisione che il prodotto richiede
• Riduce il numero di componenti
• Riduce il tempo di sviluppo prodotto perché già durante la fase di progettazione si verifica la fattibilità tecnologica in modo da evitare dei loop iterativi (il lead time si abbassa)

I vantaggi della DFM

• Buona qualità prodotto
• Riduzione dei loop tra progettazione e produzione
• Riduzione degli sprechi
• Vengono evitati i problemi di manifattura prima che il processo avvenga
• Viene evitata la ripetizione di determinati errori di manufacturability. Qualora questi si ripresentino, bisogna capitalizzarli in maniera che questi amplino la conoscenza aziendale e che non ricapitino più

La DFM si basa su 3 principi:

1. Concurrent Engineering: quando la Concurrent Engineering viene applicata alla DFM, il risultato è lo sviluppo parallelo (concurrent) del prodotto e del suo processo di fabbricazione.
2. Conoscenza dei materiali e delle tecnologie produttive: affinché il prodotto sia facilmente processabile bisogna conoscere i limiti, i costi, ecc. e dunque il team deve avere questo tipo di competenze.
3. Integrare la Supply Chain: ossia implementare il co-design; si tratta di una progettazione collaborativa azienda-fornitore in quanto è importante che il fornitore sia qualificato (bisogna fidarsi della qualità dei suoi pezzi).

Gli aspetti per applicare bene la DFM

• Valutare il costo dell'intero prodotto e il costo del singolo componente perché è in tal modo che riesco a capire quali sono i componenti più critici (hotspot) sui quali concentrare la riprogettazione. In particolare, i componenti dovrebbero essere parti standardizzate (preferibili); bisogna evitare quanto più possibile le parti personalizzate perché fanno aumentare i costi.
• Confrontare diverse soluzioni progettuali (cambio materiale, cambio tecnologia produttiva, ecc.). Per fare ciò è necessario creare un elenco di fornitori e fare un'analisi sul miglior rapporto qualità-prezzo.
• Ridurre i componenti personalizzati, in quanto costano di più a causa di fasi di lavorazione aggiuntive richieste per la produzione del pezzo. Quando è possibile, quindi, bisogna modificare il progetto per ridurre il numero di componenti personalizzati!
• Ridurre il costo dei componenti confrontando le alternative di produzione pur mantenendo i vincoli di progettazione e produzione.
• Conoscere i limiti tecnologici (vincoli di processo) per evitare di progettare un prodotto delle caratteristiche difficilmente realizzabili. Più le lavorazioni sono difficili e particolari (in termini di tolleranze, rugosità, ecc.) più i costi aumentano!
• Far leva sull'economia di scala (è usata in economia per indicare la relazione esistente tra aumento della scala di produzione e diminuzione del costo unitario del prodotto); quando si considera il numero di unità da realizzare, bisogna prendere in considerazione i costi iniziali di avviamento e i costi incrementali per unità. Ci sarà un punto di volume di produzione in cui un altro metodo di produzione sarà economicamente più vantaggioso!
• Standardizzare le parti; più standardizzo, più i volumi produttivi possono essere elevati. Ciò significa ridurre gli attrezzaggi e ridurre gli utensili in fase di attrezzaggio.

Design for Manufacturing (lavorazioni meccaniche)

Nell'ambito del design for manufacturing, vediamo delle linee guida per le tecnologie di asportazione truciolo. Queste ci fanno capire se il progetto che stiamo sviluppando dal punto di vista di modellazione 3D è corretto in funzione delle tecnologie produttive che stiamo utilizzando.

Componenti singoli

1° linea guida: rispettare le linee guida di buona progettazione specifiche per ogni processo produttivo (saldatura, fusione, stampaggio, ecc.).

2° linea guida: evitare parti a destra o a sinistra; usare parti in coppia. Evitare di progettare parti destre o sinistre (speculari). Progettare il prodotto in modo che la stessa singola parte possa funzionare sia a destra che a sinistra. Se le parti non possono eseguire entrambe le funzioni, aggiungere caratteristiche alle parti destre e sinistre per renderle uguali. Acquistare parti destra/sinistra o parti accoppiate (più tutte le funzioni interne di fornitura del materiale) permette ad un'azienda di ottenere il doppio della quantità e metà del numero di tipi di parti. Per le coppie di parti stampate, o qualsiasi altra parte che è fatta in attrezzature personalizzate, questo principio può dimezzare i costi delle attrezzature. Ciò consente all'azienda di aumentare i volumi produttivi; ad esempio, si riesce ad ammortizzare meglio le macchine e questo può essere fatto aggiungendo delle features in più.

3° linea guida: cercare di fare le parti più simmetriche possibili (la sfera rappresenta la simmetria perfetta) in modo che la parte non debba essere orientata in fase di assemblaggio sia per quanto riguarda l'assemblaggio manuale (l'operatore non si preoccupa del verso e dell'orientamento e quindi è più rapido e compie l'assemblaggio senza errori) sia per quello automatico (posso utilizzare attrezzature di presa molto semplice e dunque i costi si abbassano perché non mi devo far carico dell'orientamento del posizionamento del pezzo).

4° linea guida: se non è possibile utilizzare delle parti simmetriche bisogna rendere le parti quanto più asimmetriche possibile; la parte peggiore è quella parzialmente asimmetrica, in quanto potrebbe essere installata sbagliando perché l'operaio o il robot non riescono a capire la simmetria. Utilizzando parti fortemente asimmetriche, quindi, si hanno diversi benefici: rapidità; probabilità di errore di montaggio più bassa, i robot possono orientare il pezzo con sensori meno costosi.

5° linea guida: incentivare la concurrent engineering. Quando si progetta un componente non dobbiamo concentrarci solo sul design del prodotto ma dobbiamo guardare anche al processo produttivo e alle attrezzature utilizzate. L'ideale sarebbe sviluppare attrezzature modulari, ossia attrezzature che si adattino a tutte le varianti di una famiglia di prodotti.

6° linea guida: realizzare le attrezzature più semplici possibili coinvolgendo l'esperto delle attrezzature. Cercare sin da subito i fornitori e coinvolgerli sin dalle prime fasi di progettazione.

7° linea guida: cercare di differenziare le parti che sono tra loro similari per evitare che durante l'assemblaggio utilizzi una parte sbagliata.

8° linea guida: specificare le tolleranze per un robust design (metodo per migliorare le prestazioni di un prodotto anche in presenza di rumore); più il range è largo e minori sono i costi.

9° linea guida: specificare che il prodotto sia di qualità e che venga da fonti affidabili; qualità significa affidabilità delle tecnologie produttive utilizzate e affidabilità dei fornitori utilizzati. La "Regola del dieci" specifica che costa 10 volte di più trovare e riparare un difetto nella fase successiva dell'assemblaggio. Così, costa 10 volte di più trovare un difetto di un pezzo in un sottoinsieme; 10 volte di più trovare un difetto di un sottoinsieme all'assemblaggio finale; 10 volte di più nel canale di distribuzione, e così e così via. Il punto qui è che tutte le parti dovrebbero avere fonti affidabili che possono fornire una qualità costante nel tempo nei volumi richiesti.

Queste sono linee guida generali che si applicano a lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo, fusione, deformazione, ecc.

Lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo

1. Scegliere il processo produttivo ottimale per ottimizzare il costo totale tramite un approccio di concurrent engineering.
2. Progettare un componente affinché sia fissato correttamente sulla macchina per la lavorazione. Le attrezzature possono essere semplici (morsa, pinza, ecc.) o complesse/customizzate (pezzo fuso di forma qualsiasi). Il pezzo, durante le lavorazioni meccaniche, è soggetto ad alcune forze; dunque, più è rigida l'attrezzatura e più gli utensili possono essere grandi; oppure, un fissaggio solido può portare all'assenza di vibrazioni e quindi la qualità migliora. Più le superfici sono complesse più sono costose le attrezzature di fissaggio.
3. Minimizzare il numero di utensili da taglio utilizzati per lavorare un componente; per far questo bisogna ridurre a magazzino il numero di utensili e avere un ciclo di lavorazione il più rapido possibile. Inoltre, bisogna utilizzare utensili più standardizzati possibile che non devono essere costruiti ad hoc; se sono customizzati il lead time di approvvigionamento sarà lungo e quindi i costi aumentano. Bisogna lavorare anche con dimensioni normate (gole di scarico, fori, ecc.).
4. Evitare di utilizzare utensili speciali. Fare attenzione sia alle superfici funzionali che non funzionali cercando di lavorarle con lo stesso tipo di utensile.
5. Progettare parti da realizzare con un unico setup; riposizionare la parte significa perdere del tempo e ridurre la qualità. Ad esempio, sarebbe conveniente utilizzare un centro di lavoro; se passassi ad una macchina a 5 assi (3 rotazioni e 2 traslazioni) con un solo piazzamento potrei riuscire a lavorare tutto il componente. Tuttavia, bisogna comunque valutare il costo totale.
6. Scegliere il materiale per minimizzare il costo considerando le attività di post-processing. Ad esempio, in un ambiente corrosivo ho due possibili scelte: o scelgo l'acciaio inossidabile, che costa di più ma che si può mettere subito in opera, oppure scelgo l'acciaio al carbonio, che deve essere lavorato e rivestito superficialmente per poter esser messo in opera. La scelta viene fatta considerando il costo totale.
7. Scegliere le tolleranze più ampie possibili compatibilmente con la funzionalità del componente e con la sua qualità. Evitare delle tolleranze strette significa evitare delle macchine più precise e quindi più costose.
8. Evitare gli spigoli vivi; prevedere un'azione di rimozione degli spigoli che possono essere taglienti e quindi causare infortuni all’operatore.
9. Definire con criterio i riferimenti nel disegno per le tolleranze geometriche. Se le superfici di riferimento aumentano il processo produttivo si complica e il collaudo, ovvero il controllo dimensionale, si complica.

Queste sono linee guida generali da tenere in considerazione durante la progettazione.

Lavorazioni per asportazione di truciolo nel dettaglio

10. Evitare lavorazioni per asportazione di truciolo, in quanto sprechiamo materia prima e tempo. Preferire, se la geometria e i volumi produttivi lo consentono, processi di fusione, forgiatura, ecc. eseguiti attribuendo il giusto valore di tolleranze e di rugosità.
11. Cercare di ottimizzare la scelta del semilavorato (i semilavorati non sono solo quelli a disegno ma anche quelli commerciali) evitando il più possibile la necessità di lavorare superfici aggiuntive.
12. Cercare di evitare tagli interrotti, ovvero la modalità secondo cui l'utensile non è continuamente a contatto con il materiale che deve essere asportato ma alternativamente. Questa è da evitare perché porta a vibrazioni che danneggiano la qualità del componente e possono portare alla rottura dell’utensile.
13. Progettare il componente per evitare che ci siano delle pareti o elementi geometrici troppo sottili o che ci porti a scegliere un utensile che sia troppo cedevole. Bisogna considerare che tra utensile e pezzo c'è sempre uno scambio di forze e più è alta la velocità di avanzamento più la forza di contatto sarà maggiore; l'utensile quindi si deformerà e di conseguenza anche il pezzo si deformerà. Questo impone di definire tolleranze più ampie. Come nel primo esempio, per pareti molto sottili bisogna prevedere i cicli di lavorazione particolari; bisogna, in particolare, lavorare il pezzo alternativamente da destra verso sinistra e viceversa garantendo un sovrametallo sottile per evitare di flettere troppo questa geometria. Invece, nel secondo esempio, la geometria non è sottile ma bisogna lavorare la superficie interna con un bareno perché c'è una certa rugosità da garantire. Il foro è molto profondo rispetto al suo diametro; quindi, bisogna entrarci con un utensile snello bisogna, lentamente e con profondità di passata ridotta in modo tale da minimizzare la cedevolezza dell’utensile.
14. Evitare sottosquadri quando possibile, soprattutto se interni al pezzo. Più la gola interna è disassata (si allontana rispetto al bordo dell'attacco del pezzo) e più il diametro è piccolo e quindi le lavorazioni sono più complesse.
15. Eseguire lavorazioni per asportazione di truciolo soltanto se necessarie; valutare se queste possono essere sostituite con delle tecnologie meno costose per evitare sprechi di materiale. Inoltre, asportare il materiale significa perdere tempo!
16. Scegliere materiali facilmente lavorabili alle macchine utensili. Più aumenta la durezza e più aumenta il carico di rottura e, di conseguenza, diminuisce la lavorabilità. Quindi, bisogna evitare materiali duri o difficili da lavorare per asportazione di truciolo.
17. Garantire tra pezzo grezzo e pezzo finito un sovrametallo. Se viene prescritta una rugosità stringente bisogna mettere in sequenza una serie di operazioni necessarie per arrivare a quella prescrizione. Ad esempio, se prescriviamo una rugosità 0,01 probabilmente dovremmo mettere in sequenza operazioni di sgrossatura, finitura, rettifica, lappatura o lucidatura. L'ordine del sovrametallo è, generalmente, di circa 0,4 mm ma ovviamente se le dimensioni del componente aumentano la superficie che dobbiamo tollerare aumentano e quindi aumenta anche il sovrametallo.
18. Garantire che ci sia lo spazio di accesso per gli utensili (frese, boccole, elementi di fissaggio, ecc.)
19. Evitare elementi geometrici che interrompono la corsa dell'utensile; evitare quindi degli spallamenti. Bisogna dare modo all'utensile di muoversi liberamente per avere un processo più veloce.

Tornitura

1. Fare attenzione a pezzi snelli: considerando il rapporto lunghezza/diametro possiamo dire che più è alto questo rapporto più è snello il pezzo e più durante la tornitura si può inflettere; ciò comporta tolleranze più ampie. Degli accorgimenti in questi casi possono consistere: nell'inserire lunette lungo il pezzo per ridurre il tratto libero (non è semplice da implementare e rallenta il processo); utilizzare la contropunta per bloccare il pezzo.
2. Evitare tagli interrotti: il taglio interrotto si ha quando un utensile viene posto alternativamente a contatto con il pezzo da lavorare. Ad esempio, il taglio interrotto si ha quando devo prima tornire e poi fare l'asola per una linguetta.
3. Attenzione ai raggi di raccordo tra il tratto cilindrico e lo spallamento: i raggi di raccordo dovrebbero essere sempre grandi (maggiori o uguali dei raggi di raccordo dell'inserto) per esigenze funzionali o strutturali (per evitare la propagazione della cricca dallo spigolo).
4. Nel momento in cui dobbiamo fare una profilatura esterna o interna, l'utensile ha un certo angolo di registrazione: ci sono delle superfici che l'utensile non può lavorare se non ha l'angolo giusto.